Investigation of Mild Alkaline Polysulfide Electrolytes for Redox Flow Battery Applications

In the last years the energy production from renewable sources has increased exponentially as a result of the global commitment to reduce CO2 emissions. Mixed renewable energy systems represent the solution to reduce reliance upon fossil fuels, but their intermittent and unpredictable nature poses a significant challenge to ensure the stability of the power network. In this scenario there is a pressing need for integrating energy storage systems. Among all, rechargeable flow batteries (RFBs) are leading the way as possible candidates for low-cost, long-term energy storage systems due to their unique capability to decouple power and energy, enabling scalability and versatility for many applications ranging from a few kWh up to MWh. The primary objective of this thesis is to explore innovative electrolytes for the next-generation cost-effective redox flow batteries. Sulfur, given its notably low cost and high theoretical specific capacity, stands out as a promising candidate for integration. This research investigates the utilization of sulfur, specifically in the form of polysulfide in slightly alkaline solutions. Mildly alkaline conditions can address issues related to corrosion and degradation of the battery stack that may occur in a highly alkaline environment ([OH-] > 3M). An innovative setup is proposed to study the effect of the anolyte and catalysts applied directly to the carbon felt, thereby avoiding characterization on ideal and unrepresentative substrates of the system, such as glassy carbon electrodes, for instance. Various catalysts were deposited on the carbon felt electrode and tested to enhance the kinetics of the reactions. A comparative study was conducted, and SEM analysis was employed for morphological characterization. The electrochemical activity of polysulfide solutions was assessed through cyclic voltammetry and charge/discharge cycling.

Negli ultimi anni, la produzione di energia da fonti rinnovabili è aumentata in modo esponenziale a seguito dell'impegno globale per ridurre le emissioni di CO2. L'utilizzo di fonti rinnovabili rappresenta la soluzione per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, ma la loro natura intermittente e imprevedibile costituisce una sfida significativa per garantire la stabilità della rete elettrica. In questo contesto, c'è un pressante bisogno di integrare i sistemi di accumulo energetico. Tra tutte le opzioni, le batterie redox a flusso (RFB) stanno emergendo come possibili candidati per sistemi di accumulo energetico a basso costo e a lungo termine, grazie alla loro capacità di separare potenza ed energia, consentendo scalabilità e versatilità per molteplici applicazioni, da pochi kWh a MWh. L'obiettivo principale di questa tesi è esplorare elettroliti innovativi per le batterie a flusso di prossima generazione. Lo zolfo, data la sua notevole economicità e l'alta capacità specifica teorica, emerge come un candidato promettente per l'integrazione. Questa ricerca esplora l'utilizzo dello zolfo, specificamente nella forma di polisolfuri in soluzioni leggermente alcaline. Le condizioni blandamente alcaline possono risolvere i problemi legati alla corrosione e alla degradazione delle celle che possono verificarsi in un ambiente fortemente alcalino ([OH-] > 3M). Viene proposta un’innovativa configurazione per studiare l'effetto di anolita e catalizzatori applicati direttamente sul felt carbonioso, evitando quindi la caratterizzazione su substrati ideali e poco rappresentativi del sistema, come ad esempio elettrodi di glassy carbon. Diversi catalizzatori sono stati depositati sull'elettrodo di felt carbonioso e testati per migliorare la cinetica delle reazioni. È stato condotto uno studio comparativo e analisi al SEM sono state impiegate per la caratterizzazione morfologica. L'attività elettrochimica delle soluzioni di polisolfuri è stata valutata attraverso ciclo-voltammetrie e prove di carica/scarica.